含Al纳米贝氏体辙叉钢及其氢脆特性的第一性原理研究

摘要

本文的目的是研究低合金含Al纳米贝氏体辙叉钢的微观组织、力学性能和耐磨性，以及含Al贝氏体钢氢脆现象的第一性原理的计算，为新型贝氏体辙叉钢的设计提供依据，同时从微观角度来研究钢中的氢脆现象。
　　本文以铁路上使用的贝氏体辙叉钢的成分为依据，在满足其各项性能指标的基础上，设计出含Al贝氏体辙叉钢用材。通过对其常规力学性能的测试，得出理想的正火-回火工艺。通过对组织和力学性能的分析，得出理想的等温淬火工艺。通过纳米压痕和纳米划痕实验，对不同热处理工艺下试样的微观力学性能进行研究。利用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)和透射电镜(TEM)对处理后试样的相组成和组织进行了研究，然后测定了不同热处理工艺下试样的干摩擦磨损性能。最后，利用第一性原理的密度泛函理论，研究了含Al贝氏体钢中的氢脆现象。
　　研究结果表明：本实验材料的最佳正火-回火工艺为：900℃奥氏体化0.5 h，350℃回火2 h。最佳等温淬火工艺为：920℃奥氏体化1 h，350℃等温淬火10 h。试样经正火-回火处理后，硬度值为63.2 HRC，韧性为46.9 J/cm2；经等温淬火处理后，硬度值为47 HRC，韧性为85.4 J/cm2；等温淬火处理后材料的性能满足铁路线路辙叉用钢标准。纳米划痕和压痕试验表明，等温淬火后试样的摩擦系数及微观硬度小于正火-回火处理后的试样，弹性模量大于正火-回火处理后的试样。在载荷为200 N、300 N，转速为200 r/min的条件下，等温淬火后试样的失重小于高速钢标准试样，其耐磨性较好。
　　通过第一性原理对不同铝、硅含量的铁单胞的形成能进行计算，结果表明，钢中可以用Al代替Si作为促进贝氏体转变过程的元素；氢原子进入铝作为置换原子的铁单胞后，体系的相对形成能值大于硅作为置换原子的铁单胞，这说明氢原子更加容易进入铁硅单胞，因此，含Al贝氏体钢比含Si贝氏体钢氢脆敏感性低。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外辙叉用贝氏体钢的研究现状和应用

1.3 钢中的氢脆现象

1.4含铝纳米贝氏体辙叉钢氢脆现象的第一性原理研究

1.5 合金元素在贝氏体钢中的作用

1.6 本文研究的主要内容及意义

第2章 试验材料及试验方法

2.1 热处理工艺探究

2.2 等温淬火钢和正火回火钢性能对比

2.3 干滑动摩擦磨损测试

2.4含Al纳米贝氏体辙叉钢氢脆特性的第一性原理研究

2.5 本章小结

第3章 含Al纳米贝氏体辙叉钢的热处理工艺探究及性能测试

3.1正火+回火工艺

3.2等温淬火工艺

3.3 纳米划痕和压痕分析

3.4干滑动摩擦磨损性能测试

3.5不同热处理工艺下含Al纳米贝氏体辙叉钢的性能对比

3.6本章小结

第4章 含Al纳米贝氏体辙叉钢氢脆现象的第一性原理研究

4.1 计算方法

4.2 计算参数选择

4.3 结构模型

4.4 几何优化结果

4.5 本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

个人简介